Нагруженность и оптимизация пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов 05. 05. 04 Дорожные, строительные и подъемно- транспортные машины

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Общая характеристика работы Цель работы. Научную новизну составляют Практическая ценность. Обоснованность и достоверность результатов. Реализация работы. Апробация работы. Структура и объем работы. На защиту выносятся Содержание работы В первой главе Во второй главе В третьей главе В четвертой главе В пятой главе Основные выводы работы

Подобный материал:

• Программа дисциплины по кафедре «Строительные и дорожные машины» " эксплуатация подъёмно-транспортных,, 239.45kb.
• Программа дисциплины по кафедре «Строительные и дорожные машины» Строительная механика, 187.16kb.
• Программа для студентов Vкурса специальности 170900 подъемно-транспортные, строительные,, 170.32kb.
• Программа дисциплины по кафедре "Cтроительные и дорожные машины " подъемно-транспортные, 468.97kb.
• Повышение безопасности эксплуатации кранов мостового типа на основе ограничителя грузоподъемности, 197.84kb.
• Методические указания к изучению курса для студентов заочного факультета специальности, 300.27kb.
• Рабочий учебный план подготовки специалиста по направлению 190109 наземные транспортно-технологические, 628.49kb.
• «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование», 14.82kb.
• Информационное письмо о проведении II этапа Всеукраинской студенческой олимпиады, 204.97kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Начертательная геометрия (название), 723.17kb.

на правах рукописи


ГОНЧАРОВ НИКОЛАЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ


Нагруженность и оптимизация пластинчато-стержневых
элементов стреловых конструкций
экскаваторов и кранов


05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-

транспортные машины


Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук


.Томск 2003


Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете


НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: -кандидат технических

наук, профессор

Полянский Евгений Степанович


ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: -доктор технических

наук, профессор
Веригин Юрий Алексеевич


- кандидат технических наук, доцент
Павлов Владимир Павлович


ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: ОАО «Томскгазстрой»


Защита состоится 25 декабря 2003г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета К 212.265.01 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу - 634003, Томск, пл. Соляная 2, корп. 4, конференц-зал.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета.


Автореферат разослан 29 ноября 2003 г.


УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ кандидат технических наук,

ДИССЕРТАЦИОННОГО доцент Кравченко С.М.
СОВЕТА


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность. В экскаваторо- и краностроении наряду с рамными, решетчатыми и коробчатыми конструкциями находят применение пластинчато-стержневые элементы конструкций, состоящие из поясов, распорок и диафрагмы, установленной в пространстве между поясами. Пластинчато-стержневые элементы конструкций более технологичны в изготовлении, обладают значительной жесткостью в продольной плоскости и имеют относительно малый вес по сравнению с рамными конструкциями. Исследования показывают, что в процессе эксплуатации в пластинчато-стержневых стрелах кранов и мощных экскаваторов возникают характерные усталостные трещины в местах соединения поясов с распорками, в диафрагме и окаймляющих ее ребрах жесткости.

Определение ресурса пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов на стадии проектирования до сих пор не проводятся из-за отсутствия методик определения действительных напряжений в опасных сечениях при случайных продольно-поперечных колебаниях.

Существующие нормативные методики расчета пластинчато-стержневых элементов конструкций позволяют производить расчеты на прочность и устойчивость только при действии статических нагрузок. При учете динамических нагрузок используются соответствующие коэффициенты запаса. Завышение значений коэффициентов запаса прочности приводит к увеличению веса конструкций, стоимости машин и ограничивает область применения пластинчато-стержневых элементов конструкций. Кроме того практика показывает, что усиление пластинчато-стержневых элементов конструкций в местах возникновения трещин за счет увеличения площадей поперечного сечения элементов или установки дополнительных ребер жесткости не исключает возникновения дефектов в дальнейшем.

Актуальным является разработка методики моделирования напряженно-деформированного состояния пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций при случайных нагружениях, позволяющей определять их ресурс на стадиях эксплуатации и проектирования, и методики оптимизации параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций.


Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики определения ресурса и оптимизации пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов.

Научную новизну составляют:

-результаты экспериментальных исследований процессов нагружения одноковшовых экскаваторов при разработке неоднородных грунтов;

-методика моделирования нагрузок на стреловую конструкцию экскаватора при копании неоднородных грунтов;

-методика поэтапного динамического расчета пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов, позволяющая производить расчет на прочность и циклическую долговечность, определять действительный ресурс для заданных условий эксплуатации;

-методика оптимизации параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов при заданных режимах нагружения.

Практическая ценность. Практическая ценность работы заключается в создании алгоритмов определения пульсирующей случайной нагрузки, динамического расчета, выборе алгоритмов оптимизации параметров и определения ресурса пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов, реализованных в виде пакета прикладных программ для персональных ЭВМ «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов».

Обоснованность и достоверность результатов. Проведены натурные экспериментальные исследования карьерных экскаваторов ЭКГ-I5ХЛ в условиях разрезав ПО «Кемеровоуголь» при копании взорванных горных пород. На основе результатов статистической обработки экспериментальных данных проведено моделирование процессов нагружения. Полученные результаты подтвердили правильность методик расчета, разработанных в настоящей работе.

Реализация работы. Результаты работы включены в программный комплекс «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов -ОСКАР», разработанный на кафедре строительных и дорожных машин Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технической конференции секции строительных машин в Новосибирской государственной академии строительства в


1997г., на научно-технической конференции Восточно-Казахстанского технического университета в 1998г., на научно-технических конференциях Томского государственного архитектурно-строительного университета в 1999 и 2002гг., на международной научно-технической конференции Интерстроймех-2002 в Могилевском государственном техническом университете.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы из 137 наименований и приложения. Общий объем работы 235с., в том числе основной текст - 118 с., приведены 84 рисунка и 18 таблиц.

На защиту выносятся:

-результаты экспериментальных исследований процессов нагружения одноковшовых экскаваторов при разработке неоднородных грунтов;

-методика моделирования процессов нагружения одноковшовых экскаваторов с рабочим оборудованием «прямая лопата» при копании неоднородных грунтов;

-методика поэтапного динамического расчета пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов на основе метода нормальных форм колебаний;

-методика определения напряженно-деформированного состояния пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций и ресурса при заданных режимах нагружения экскаваторов и кранов;

-применение алгоритмов поэтапной оптимизации пластинчато-стержневых стреловых конструкций экскаваторов и кранов.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены актуальность, цель и задачи диссертационной работы, научная новизна, практическая ценность, основные положения, выносимые на защиту, реализация работы, апробация, публикации, структура и объем работы.

В первой главе рассмотрены и проанализированы конструктивные схемы, область применения, достоинства и типовые дефекты пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов. Отмечено, что основная причина возникновения дефектов - не учет динамических нагрузок, и как следствие, не обеспечение усталостной долговечности элементов конструкций.


Вопросами статического и динамического расчета пластинчато-стержневых элементов конструкций занимались Андреев Л.В., Биргер
И.А., Болотин В.В., Брауде В.И., Велихов П.А., Волков Д.П., Дашко
А.Л., Кирш Г., Павленко И.Д., Панкратов С.А., Пановко Я.Г., Ряхин
В.А., Тимошенко С.П. и др.

Существующие нормы проектирования стальных строительных конструкций (СНиП II-23-81*) позволяют производить расчет пластинчато-стержневых элементов конструкций только от статических нагрузок по условию обеспечения прочности и устойчивости поясов и диафрагмы. При расчете на прочность широко используются метод конечных элементов, основанный на прямом переходе от рассчитываемой конструкции к дискретной расчетной схеме (Пискунов В.Г., Мяченков В.И. и д.р.).

Проведенный анализ работ в области расчета стреловых конструкций экскаваторов и кранов показывает, что предлагаемые методики не позволяют производить расчет пластинчато-стержневых элементов при динамическом нагружении с учетом ограничений по усталостной долговечности.

Вопросы определения нагрузок на стреловые конструкции кранов подробно рассмотрены в работах Брауде В.И., Вайнсона А.А., Гохберга М.М., Зарецкого А.А., Казака С.А. и др.

Методы определения расчетных нагрузок на стреловые конструкции экскаваторов изложены в работах Багина Б.П., Бондаровича Б.А., Волкова Д.П., Домбровского Н.Г., Ломакина В.П., Федорова Д.И. и д.р. В работах Коха П.Ч., Махно Д.Е., Шадрина А.И. и др. отмечено. что возникновение разрушений в элементах стреловых конструкций карьерных экскаваторов во многом зависит от качества подготовки забоя и условий его разработки. Методики формирования нагрузки на рабочем органе экскаватора в зависимости от характеристик разрабатываемого забоя изложены в работах Белякова Ю.И., Ветрова А.И., Домбровского К.Г., Зеленина А.Я., Кубачека В.Р., Кухтенко А.И., Сургучева Ю.А. и др. Существующие методики не позволяют в полной мере учитывать характер формирования нагрузки во времени, затрудняя проведение расчета на усталостную долговечность.

В основе оптимального проектирования лежит одна из важнейших задач снижения материалоемкости конструкций и улучшения их механических характеристик. Среди работ, посвященных данной тематике, просматриваются три основных подхода - аналитический подход (Ольхофф Н., Ляхович Л.С. и др.); подход, основанный на применении


градиентных методов и методов случайного поиска (Хог Э., Арора Я., Баничук Н.В. и др.); информационный подход (Бирюк В.И., Михайлов Л.К., Мишин Е.К., Полянский Е.С.).

Пластинчато-стержневые элементы стреловых конструкций являются типовыми, у которых однозначно заданы значения структурных параметров. При оптимизации таких конструкций возможно получить информацию о влиянии отдельных параметров на оптимальное решение. Наиболее приемлемым для оптимизации пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций является информационный подход, основанный на применении методов поэтапной оптимизации, состоящих из трех основных этапов - выделение и группировка параметров; системный анализ параметров; разработка и выбор алгоритмов оптимизации с применением, как методов безусловной оптимизации, так и методов динамического программирования.

По особенностям формирования внешней осевой схемы все плоские пластинчато-стержневые элементы стреловых конструкций разделены на два основных вида - с двумя распорками - в верхней и нижней части (Рис. 1а); с одной верхней распоркой и нижним краем диафрагмы в виде незамкнутого окна (Рис. 16). По виду диафрагмы можно выделить сплошные диафрагмы и диафрагмы с одним или несколькими окнами.

Для любого пластинчато-стержневого элемента стреловой конструкции к параметрам, определяющим внешнюю осевую схему, относятся: общая длина по осям (L); расстояние до верхней и нижней распорки от оголовка и пяты (L₁, L₂); ширина по осям в нижней и верхней части конструкции (Вс₁, Вс₂). Значения этих параметров на этапе проектирования определяются однозначно из конструктивных особенностей создаваемой конструкции.

Другая группа параметров определяет сечения элементов и внутреннюю осевую схему: параметры сечения поясов (D_n, _n); параметры сечения распорок (D_pc, _pc)); толщина диафрагмы (_); высоты и толщины ребер жесткости (H_pi, _pi); продольные размеры, определяющие положение и длину окон (l_k); поперечные размеры окон (b_ij); радиусы закруглений окон (r_ij). Любым из параметров этой группы можно варьировать при проектировании с целью создания оптимальной конструкции.
Условие оптимальности определяется целевой функцией вида:

F = F(D_n, _n, D_pc, _pc, _, l_k, b_ij, r_ij, H_pi, _pi)  extr (1)

При этом на параметры состояния конструкции накладываются ограничения по прочности с учетом устойчивости и долговечности.



Во второй главе проведен анализ напряженно-деформированного состояния пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций на основе расчета методом конечных элементов.

Вопросы расчета стреловых конструкций методом конечных элементов отражены в работах Мяченкова В.И., Пискунова В.Г., Постнова В.А. и др.

Разработаны расчетные модели по методу конечных элементов для пластинчато-стержневых стреловых элементов конструкций экс-


каваторов и кранов на примере стрелы карьерного экскаватора ЭКГ- 15 и стрелы крана-трубоукладчика ТГ-502. При описании расчетных моделей на ЭВМ использовалась комбинация четырех видов конечных элементов - стержень пространственной шарнирно-стержневой системы, рамный стержень, четырехугольный и треугольный элементы оболочки нулевой кривизны.

Для обеспечения заданной точности расчетов использовалась нерегулярная сетка при разбивке на конечные элементы, при которой наибольшей степени дискретизации подвергаются определенные предварительным расчетом области диафрагмы с максимальными эквивалентными напряжениями.

Моделирование стреловой конструкции проведено с целью определения напряжений в различных элементах конструкции и выявления наиболее нагруженных элементов.

Расчеты проводились для трех основных сочетаний сосредоточенных и распределенных сил:

- горизонтальные силы - силы инерции от ускорений сосредоточенных масс приложены к соответствующим узлам; силы инерции от распределенных масс приложены по поясам в виде распределенных нагрузок;

- вертикальные силы - силы тяжести от сосредоточенных масс приложены к узлам; распределенные нагрузки от сил собственной тяжести поясов стрелы, диафрагмы, рукояти и подвески;

- совместное действие горизонтальных и вертикальных сил.

Рассмотрение этих сочетаний позволило выявить основные закономерности распределения напряжений в элементах конструкций.

Установлено, что характер распределения усилий, моментов и напряжений в элементах стрелой конструкции при изменении значений горизонтальных и вертикальных сил сохраняется. Изменение значений усилий, моментов и напряжений в элементах пропорционально изменению значений сил.

Оценка влияния параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций на напряженное состояние проводилось путем варьирования параметрами: продольный размер диафрагмы; толщина диафрагмы; размеры сечения ребер жесткости; продольные и поперечные размеры окон.

В результате расчетов при варьировании указанными параметрами получены зависимости изменения осевых усилий, изгибающих


моментов и напряжений в элементах поясов, диафрагмы и окаймляющих ребер жесткости.

Выявленные зависимости показывают, что осевые напряжения в поясах обладают сравнительно малой чувствительностью к толщине и размеру диафрагмы. Размеры и толщина диафрагмы оказывает существенное влияние на величину изгибающего момента в поясах конструкции при действии горизонтальных сил и приведенных напряжений в элементах самой диафрагмы. Большое влияние на изменение напряжений в расчетных элементах диафрагмы оказывают размеры сечений окаймляющих ребер. Полученные зависимости нелинейные и унимодальные. Размеры сечений ребер жесткости практически не влияют на изменение величин силовых факторов в поясах.

Проведенный анализ результатов статического расчета показал, что при варьировании параметрами не все они в равной степени влияют на напряженное состояние пластинчато-стержневой элементов конструкции. Варьируя размерами и толщиной диафрагмы, можно добиться установления оптимального соотношения массы поясов и диафрагмы при заданной устойчивости конструкции в горизонтальной плоскости. Варьируя размерами окон и размерами окаймляющих ребер жесткости можно добиться установления оптимального соотношения массы диафрагмы и окаймляющих ребер при обеспечении заданной прочности элементов диафрагмы.

В третьей главе приведены методика и результаты экспериментальных исследований одноковшовых карьерных экскаваторов.

Экспериментальные исследования нагружения элементов стреловой конструкции были проведены на экскаваторе ЭКГ- 15ХЛ в условиях разреза Тамусинский ПО “Кемеровоуголь” с целью решения следующих задач:

1. Выявить режимы нагружения стреловой конструкции в процессе полного цикла работы, которые являются расчетными для определения напряженного состояния стреловых элементов;

2. Определить действительное нагруженное состояние элементов стрелы с учетом пульсаций нагрузки при копании;

3. Провести оценки корреляционных функций и спектральных плотностей процессов колебаний стреловой конструкции при нормальном копании и выделить частоты, на которых сосредоточена максимальная мощность этих процессов для построения расчетной модели стреловой конструкции.


В процессе проведения испытаний регистрировались электро- параметры главных приводов экскаватора, напряжения от осевых сил и изгибающих моментов в поясах верхней и нижней секций стрелы, в канатах механизма подъема и подвески стрелы, переднем и заднем подкосе А-образной стойки, напряжения в верхнем подкосе и рукояти. Измерение напряжений в металлоконструкциях и усилий в подвеске стрелы производились методом электротензометрирования с помощью датчиков омического сопротивления.

Анализ показал, что процессы изменения силы тока на обмотке электродвигателя механизма подъема, напряжений от растяжения- сжатия и изгиба в поясах стрелы являются нестационарными.

Основываясь на методах анализа случайных нестационарных процессов принята следующая методика обработки экспериментальных данных:

1. Определение статистических характеристик процессов двумя методами: а) усреднением по времени для отдельных реализаций (циклов). с последующим усреднением по множеству; б) усреднением по времени для реализаций (или ее части), наращиваемых в длину от цикла к циклу, т.е. стационаризация процесса относительно характеристик, и определение характеристик усреднением по времени одной составной реализации.

2. Вычисление оценок автокорреляционной функции и спектральной плотности процессов для отдельных реализаций с последующим усреднение их по множеству.

3. Оценка частот колебаний стреловой конструкции в горизонтальной плоскости путем вычисления оценок автокорреляционной функции и спектральной плотности для отдельных реализаций с последующим усреднением по множеству.

4. Статистическая обработка процесса копания по сечениям: определение характеристик реализации процесса как функций времени по множеству значений совмещенных реализаций.

Средняя продолжительность полного цикла для экскаватора ЭКГ-I5ХЛ составила 36 секунд. Отклонения в длительности циклов 2- 6 секунд.

Статистические характеристики процессов изменения силы тока на обмотке электродвигателя подъема и напряжений в металлоконструкциях (математическое ожидание, среднеквадратичное отклонение, дисперсия, и др.), полученные усреднением по времени для реализации, наращиваемой в длину от цикла к циклу, достаточно быстро стабилизируются


с увеличением количества циклов. для реализации достигшей длины равной 20 циклам дальнейшее увеличение длины изменяет
статистические характеристики не более чем на 4%.
Анализ экспериментальных данных показал, что для процессов
изменения тока на обмотке электродвигателя, осевых напряжений и
изгибных напряжений в поясах стрелы характерен нормальный закон
распределения в каждом характерном временном сечении реализации.
Результаты статистической обработки законов распределения пиковых
значений исследуемых параметров показали, что среднемаксимальное
значение тока на обмотке электродвигателя подъема равно
1395 А, среднеквадратичное отклонение - 87,6 А, коэффициент вариации
- 0,063. Среднемаксимальные значения осевого и изгибного напряжений в поясах верхней секции стрелы составили соответственно
37,1 МПа и 20,4 МПа, среднеквадратичное отклонение - 5,53 МПа и
3,80 МПа, коэффициент вариации соответственно -0,131 и 0,073.

Общая оценка нагруженности конструкций экскаватора, проведенная путем построения усредненных циклов показала, что при разработке неоднородных грунтов полный цикл экскавации состоит из
характерных этапов: этап разгона порожнего ковша; этап копания
грунта с пульсациями нагрузки по низким и высоким частотам; этап
перемещения груженого ковша к месту разгрузки; этап разгрузки; этап
перемещения порожнего ковша к месту забоя.

При анализе экспериментальных данных были выявлены три
характерных процесса формирования нагрузки на рабочем органе экскаватора на этапе копания (рис.2а,б,в). Выявленные виды процессов
позволили сделать заключение о наличии случайных параметров, способных охарактеризовать разрабатываемый забой и влияющих на процесс формирования нагрузки на рабочем органе экскаватора - высота
забоя Н, высота обрушения h₁, высота необрушенной части забоя h₂. Предложена следующая классификация забоев: 1) необрушенный за-
бой с параметрами Н = h₂, h₁ = 0 (рис.2г); 2) обрушенный забой с пара-
метрами Н >h1, Н >h2, h₁  h₂ (рис.2д); 3) обрушенный забой с пара-
метрами Н > h₂>h₁ (рис.2е). Анализ экспериментальных данных свидетельствует о нормальных законах распределения параметров, характеризующих забой в пределах каждого вида классификации.
При проведении частотного анализа путем аппроксимации
функции ортогональными многочленами Чебышева выделялся и исключался из рассмотрения основной тренд, не связанный с колебаниями стреловой конструкции. При выделении тренда для вычисления





приближающей функции число многочленов Чебышева выбиралось последовательным приближением по условию равенства нулю математического ожидания процесса. После центрирования процесса спектральная плотность вычислялась через преобразование Фурье авто- корреляционной функции с использованием прямоугольного корреляционного окна.

В спектрах частот при анализе полных циклов экскавации четко выделяется только одна частота колебаний, находящаяся в интервале 1,4-1,6 Гц, соответствующая средней частоте собственных колебаний конструкции. Значения других основных частот невозможно выделить ввиду нечетко выраженных спектральных плотностей процессов. Это связано с тем, что характер колебаний исследуемых процессов меняется в течение всего рабочего цикла.

В связи с тем, что максимальные значения осевых напряжений и напряжений изгиба соответствуют этапу копания, средняя продолжительность которого составляет 6-7 секунд, был проведен частотный анализ соответствующих участков. Для этого из сцентрированных процессов для полных циклов экскавации выделялись участки, соответствующие этапу копания, и состыковывались в общую реализацию (рис.3а,б,в). Далее проводился частотный анализ для полученных реализаций силы тока, осевых и изгибных напряжений. На рис.Зг,д,е приведены спектральные плотности этих процессов.

Анализ результатов показывает, что средние значения частот колебательных процессов наибольшей мощности для параметров силы тока, осевых напряжений и напряжений изгиба в вертикальной плоскости верхней секции стрелы в процессе копания находятся в пределах

1,5-1,6 Гц и 2,3-2,5 Гц. Близость спектров частот свидетельствует об

общей природе возникновения колебаний. Это нехарактерно для колебаний изгибных напряжений в горизонтальной плоскости. Колебания с частотой 2,3-2,5 Гц, присущие параметрам силы тока, осевых напряжений и напряжений изгиба в вертикальной плоскости, соответствуют частоте соударений рабочего органа с включениями и характерны только на этапе копания неоднородных грунтов. Для напряжений изгиба в вертикальной плоскости верхней секции стрелы наряду с выше перечисленными формами колебаний четко выделяется собственная частота колебаний равная 5,2 Гц. Это подтверждается расчетами собственной частоты поперечных колебаний балки, моделирующей верхнюю секцию стрелы с приложенной сосредоточенной массой в середине пролета.





При копании несвязанных грунтов частоты соударений не выявлены, пульсации нагрузки в процессе копания происходят на частотах, соответствующих собственным колебаниям конструкции.

Результаты обработки экспериментальных исследований позволяют сформировать исходные данные для моделирования процесса формирования нагрузки на рабочий орган экскаватора в зависимости от вида разрабатываемого забоя при копании неоднородных грунтов.

В четвертой главе рассмотрены динамические расчетные схемы и математические модели стреловых конструкций экскаваторов и кранов.

Предлагаемая методика динамического расчета основана на методе нормальных форм колебаний. Простота формирования исходной информации, матричная форма представления систем уравнений и преобразований позволяет легко реализовать метод на ЭВМ.

Колебания системы с N степенями свободы при произвольном нагружении с учетом демпфирования описываются системой уравнений, представленной в матричной форме:

MẌ + CẊ + SX = Q, (2)

где М, C, S - матрицы масс, демпфирования и жесткости системы с размером (N,N); Ẍ(N), Ẋ(N), Х(N) - векторы-столбцы ускорений, скоростей и перемещений масс системы; Q = Р(N)х F_H (t) – вектор-столбец изменяющихся со временем нагрузок; Р(N) - вектор-столбец нагрузок; F_H(t) - значение нагрузки на интервале времени.

Процесс динамического расчета пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций состоит их двух этапов:

1 этап - определение граничных условий для расчета пластинчато-стержневого элемента путем расчета стреловой конструкции в целом;

2 этап - расчет пластинчато-стержневого элемента обособленно.

Моделирование проведено на примере стреловой конструкции экскаватора прямая лопата. В процессе копания происходит изменение геометрических параметров расчетной схемы, значений масс и нагрузки, поэтому матрица жесткости, матрица масс и нагрузка формируются на каждом временном шаге ∆t и в зависимости от угла поворота рукояти а_ruk.

При расчете пластинчато-стержневого элемента граничные условия определяются скоростями и перемещениями отдельных двух узлов крепления. Поэтому для оценки динамических усилий в одной


из секций стрелы экскаватора расчетная динамическая модель стреловой конструкции может быть упрощена и сведена к много-массовой системе (рис.4). В системе остаются массы узлов на границах элемента и рабочего органа, остальные массы приводятся к узлам конструкции.




В режиме разгона ковша до взаимодействия с грунтом нагрузка формируется от силы инерции порожнего ковша, возникающей при разгоне двигателя механизма подъема до установившейся скорости. На этапе заглубления ковша происходит снижение силы инерции до нуля и плавное нарастание усилия копания. На этапе копания в зависимости от вида разрабатываемого забоя нагрузка формируется от сил сопротивления копанию с учетом скорости движения рабочего органа, пульсирующих нагрузок от соударений ковша с включениями и силы тяжести заполняющегося грунтом ковша. После выхода ковша из забоя нагрузка определяется силой тяжести заполненного грунтом ковша.

Исходными данными для проведения расчета служат нагрузочные диаграммы, сформированные на основе обработки статистических данных эксперимента для каждого вида разрабатываемых забоев.

Расчетная схема пластинчато-стержневого элемента представляет собой многомассовую систему, у которой сосредоточенные приведенные массы диафрагмы располагаются в центрах перемычек между окнами, а приведенные массы поясов располагаются по осям поясов напротив масс диафрагмы. При наличии в диафрагме одной перемычки


расчетная модель может быть упрощена и сведена к двух массовой системе (Рис.5).

Для прогонки на ЭВМ расчетной модели экскаватора ЭКГ-15 для разреза Тамусинский ПО “Кемеровоуголь” по граничным условиям и продолжительности отдельных этапов на основе данных экспериментов было сформировано 60 нагрузочных диаграмм. Частота соударений рабочего органа с кусками породы принята равная 2,4 Гц.



Оценка влияния параметров отдельных элементов конструкции на напряженное состояние расчетных элементов диафрагмы при поперечном изгибе произведена путем многократной прогонки контрольного варианта с различными значениями варьируемых параметров. Установлено, что на характер процесса изменения напряжений в расчетном элементе неоднозначное влияние оказывают следующие параметры: толщина диафрагмы _, толщина и высота ребра _P, H_P. При этом наиболее слабое влияние характерно для параметра толщины диафрагмы. При изменении толщины диафрагмы с 10 до 20 мм (т.е. в два раза) значение наибольшего изгибного напряжения в расчетном элементе снижается с 28,4 МПа до 23,5 МПа. Для значения толщины диафрагмы 30 мм значение максимального напряжения составляет 17,9 МПа. Значение частоты основной формы колебаний увеличивается соответственно от 2,9 Гц до 3,3 Гц и 3,8 Гц. При этом масса диафрагмы увеличивается пропорционально толщине соответственно от 655 кг до 1310 кг и 1965кг.


Наибольшее влияние на характер процесса оказывает высота поперечного ребра жесткости. При увеличении высоты ребра с 80 до 100 мм значение наибольшего изгибного напряжения в расчетном элементе снижается с 3б,5МПа до 30,5 МПа. При дальнейшем увеличении высоты ребра до 120 мм значение максимального напряжения снижается до 25,2 МПа. Значение частоты основной формы колебаний увеличивается соответственно от 2,5 Гц до 2,9 Гц и 3,4Гц. При этом масса ребер жесткости увеличивается соответственно с 31 кг до 39 кг и 47кг.

При определении циклической долговечности в расчетных сечениях пластинчатых элементов значения эквивалентных напряжений при варьировании толщиной диафрагмы и высотой поперечных ребер жесткости изменяются монотонно.

В пятой главе приведена методика поэтапной оптимизации пластинчато-стержневых стреловых конструкций.

Анализ работ по оптимизации стреловых конструкций экскаваторов и кранов показал, что на стадии проектирования, при условиях обеспечения необходимой прочности, устойчивости и заданной долговечности элементов, за критерий оптимизации пластинчато-стержневой стреловой конструкции можно принять массу стреловой конструкции. Условие оптимальности (1) примет вид:

M = f (D_n,_n,D_pc,_pc,_,l_k,b_ij,r_ij,H_pi,_pi) min (3)

Ограничения по прочности и долговечности:

∆_m  0, m=1,2,…,n; (4)

∆_m  0, m=1,2,…,n; (5)

где ∆_m - запас прочности элемента с учетом устойчивости;

∆_m - запас усталостной долговечности элемента.

Запас прочности элемента ∆_i определяется:

∆_I = [_i] - _i, (6)

где [_i] - допускаемое напряжение;

_i - расчетное напряжение в элементе.

Запас по усталостной долговечности элемента ∆_i , определяется:

∆_I = [_rj]_i - _i, (7)

где [_rj] - предел выносливости материала;

 - коэффициент, показывающий отношение предела выносливости [_rj] к пределу текучести материала _T;

_i - максимальное напряжение для приведенного цикла.


Проведенные исследования напряженного состояния при статическом и динамическом нагружении позволили выделить основные этапы оптимизации пластинчато-стержневых конструкций, которые реализованы в виде пакета прикладных программ.

Исследован характер изменения функций цели для экскаватора ЭКГ- 15 (рис.6) и крана-трубоукладчика ТГ-502 (рис.7).




Выявлено, что в областях действия ограничений по прочности, устойчивости и усталостной долговечности функции цели носят монотонный или унимодальный характер, что позволяет при поиске оптимальных значений рекомендовать методы безусловной оптимизации.

Исследования показали, что для экскаватора ЭКГ-15 с годовым количеством циклов 6060 при копании в необрушенных забоях и ограничении на циклическую долговечность с гарантированным ресурсом 26 лет при оптимизации можно добиться снижения массы диафрагмы на 27,8%.

Для стреловой конструкции крана-трубоукладчика путем установки диафрагмы и оптимизации параметров при ограничениях по прочности и устойчивости удается добиться снижения массы стреловой конструкции на 12,3%.


ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ РАБОТЫ


1. Создание методики оптимального проектирования пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов способствует улучшению их показателей, автоматизации процессов проектирования и развития общих положений прикладной теории оптимального проектирования.

2. Проведена классификация и формализация параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов. В процессе исследования параметры, определяющие конструктивную схему пластинчато-стержневого элемента, разделены на две группы. К первой группе отнесены параметры, определяющие внешнюю осевую схему. Другая группа параметров определяет площади сечений элементов и внутреннюю осевую схему конструкции. Условие оптимальности определено в виде функции от значений варьируемых параметров с учетом ограничений по прочности и долговечности и ограничений на параметры проектирования.

3. Предложенные расчетные схемы методом конечных элементов (на примере стреловой конструкции одноковшового карьерного экскаватора и крана трубоукладчика) позволяют проводить анализ напряженного состояния пластинчато-стержневых конструкций. Для определения положения наиболее напряженных элементов использовался разработанный итерационный процесс нерегулярной разбивки на конечные элементы, позволяющий снизить затраты времени при составлении расчетных схем.


4. Показано, что зависимости главных напряжений в расчетных сечениях от изменения варьируемых параметров пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций при отдельном и совместном действии горизонтальных и вертикальных статических сил являются монотонными, что позволило рекомендовать для выбора оптимальных параметров методы поэтапной безусловной оптимизации по отдельным параметрам.

5. Статистический и спектральный анализ отдельных этапов копания неоднородных грунтов позволил сформировать диаграммы нагрузок на рабочий орган одноковшового экскаватора при расчете элементов конструкций на прочность и долговечность. Предложенная методика моделирования процессов нагружения одноковшовых экскаваторов и стреловых кранов, позволяет учитывать случайный характер формирования нагрузок на рабочий орган в зависимости от вида забоя, прочностных и гранулометрических характеристик разрабатываемого грунта, скорости движения рабочего органа и характеристик кранового пути.

6. Предложены и обоснованы методы поэтапного динамического расчета пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций.

Расчетная динамическая схема стреловой конструкции при определении граничных условий для расчета пластинчато-стержневого элемента представлена многомассовой системой с массами, сосредоточенными в узлах подконструкций. Для определения напряжений от поперечных колебаний в поясах и элементах диафрагмы пластинчато-стержневого элемента принята много-массовая динамическая система с массами, расположенными по осям поясов и в центрах тяжести перемычек диафрагмы.

7. Результаты динамического расчета пластинчато-стержневой стреловой конструкции на примере карьерного экскаватора показывают, что варьирование параметрами поперечных ребер жесткости позволяет изменять амплитудно-частотную характеристику процесса формирования напряжений от поперечных колебаний в расчетных элементах диафрагмы и влиять на ресурс пластинчатого элемента.

8. Разработана методика оптимизации, которая включает следующие основные этапы: определение ограничений на параметры проектирования; выбор расчетных положений и сочетаний нагрузок; статический расчет для предварительного определения параметров поясов, распорок и элементов диафрагмы; формирование внешних динамических


нагрузок на стреловую конструкцию; динамический расчет конструкции в целом для определения граничных условий; динамический расчет выделенного пластинчато-стержневого элемента с уточнением параметров поясов и элементов диафрагмы по условию обеспечения усталостной долговечности. Исследованы области существования функции цели, предложены алгоритмы поиска оптимальных параметров. Методика оптимизации пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций реализована в виде программных блоков динамического расчета и оптимизации основных параметров, включенных в программный комплекс «Оптимизация стреловых конструкций и автоматизация расчетов»

9. Экономический эффект от внедрения методики поэтапной оптимизации определяется за счет повышения надежности пластинчато-стержневых элементов стреловых конструкций экскаваторов и кранов, снижения затрат на внеплановые ремонты и простои машин, уменьшение затрат на изготовление. Оптимизация параметров элементов диафрагмы стреловой конструкции экскаватора ЭКГ-15 с учетом ограничений по циклической долговечности позволяет добиться снижения массы диафрагмы на 27,8% при гарантированном ресурсе 26 лет или увеличить значение ресурса до 31 года. При ограничениях по устойчивости для стреловой конструкции крана-трубоукладчика ТГ-502 установка диафрагмы и оптимизация параметров позволяет добиться снижения значения массы на 12,3%.


Основные положения диссертации опубликованы в следующих
работах:

1 .Исследование напряженного состояния и оптимизация пластинчато-стержневых стреловых конструкций / Гончаров Н.В., Легоминов В.В., Михайлов Л.К., Полянский Е.С.; Томск. гос. архит.строит. ун-т. - Томск, 1997.- 76с. - Депон. в ВИНИТИ 16.05.97, №
1625-В97
2.Моделирование стреловых конструкций строительных машин циклического действия методом конечных элементов/ Н.В. Гончаров, В.В.Легоминов, Л.К. Михайлов, Е.С. Полянский// Строительные материалы и технология: Сб. тез. науч.-техн. конф. НГАС апр.,1997 ч.2 - Новосибирск, 1997. - С. 82-83.

З.Учет дополнительных динамических нагрузок на стреловую
конструкцию экскаватора ЭКГ-15 при нормальном копании./ Н.В.
Гончаров, Л.К. Михайлов, Е.С. Полянский// Казахстан 2030: Регио-


нальные проблемы научно-технического прогресса: Материалы
ХХХVI науч.-техн. конф. ВКТУ, 31 мар.-4апр. 1998 - УстьКаменогорск,
1998. - С. 310.

4.Результаты экспериментальных исследований стреловой конструкции экскаватора ЭКГ-15/ Н.В. Гончаров, Л.К. Михайлов, Е.С.
Полянский// Перспективные строительные конструкции и технологии:
Сб. науч. тр. /АлтГТУ. Вып. 2 - Барнаул: Издат. АлтГТУ, 1998. -
С. 107-111.

5. Экспериментальные исследования напряженного состояния
стрелы экскаватора ЭКГ-15 / Н.В. Гончаров, Л.К. Михайлов, Е.С.
Полянский; Томск. гос. архит.-строит. уи-т.- Томск, 1998- 19 с. - Деп.
в ВИНИТИ 23.12.98, № 3841-В98.

6.Моделирование процессов нагружения конструкций одноковшовых экскаваторов при копании разнородных грунтов/ Л.К. Михайлов, Е.С. Поляяский, Ф.В. Цап, Н.В. Гончаров//I Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок: Тез. докл. науч. техн. конф. 30 ноября -1 дек. 1999. г.Томск Секц. Совершенствование технологии строительного производства. - Томск, Изд-во ТГАСУ, 1999. - С.31-32.

7.Методика моделирования внешней динамической нагрузки на
рабочий орган экскаватора/Н.В. Гончаров// Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д.
Серикбаева. - Усть-Каменогорск, 2002. - № 1 - С.23-27.

8.Основы поэтапного статистического моделирования одноковшовых экскаваторов/ Л.К. Михайлов, Е.С. Полянский, Л.О. Торицин, Ф.В. Цап, Н.В. Гончаров // Интерстроймех -2002: Материалы межд. науч.-техн. конф. Могилев: МГТУ, 2002. - С.154-155.

9.Поэтапная оптимизация пластинчато-стержневых конструкций
одноковшовых экскаваторов и кранов/ Н.В. Гончаров, Л.К. Михайлов,
Е.С. Полянский // Архитектура и строительство: Наука, образование,
технологии, рынок: Тезисы докладов межд. Науч.-техн. конф.
Секция «Совершенствование технологий строительного произ-ва, повыш.
эффект-ти труда, уровня техн. надежности» - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2002.-С.59

10. Метод разбивки на конечные элементы пластинчато-стержневых стреловых конструкций/ Н.В. Гончаров// Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета
им. Д. Серикбаева. - Усть-Каменогорск, 2003. - №1 -- С.23-26.